Resumo — Equipe Asimov, participante da Competição Latino Americana e Brasileira de Robótica, 2015, IEEE Robotics Competition, Brasil, Espírito Santo. A principal linguagem de programação adotada pela equipe é o C. A equipe tem como objetivo o aperfeiçoamento da programação na linguagem C, utilizando a tecnologia Mindstorms EV3. A IDE (Integrated Development Environment) adotada pela equipe é a IDE do ROBOTC. O ROBOTC trata-se de uma linguagem de programação baseada em C. Para montagem, é utilizado o Kit Lego Mindstorms EV3, que inclui sensores, motores, peças de Legos e um bloco programável. Este artigo retrata os resultados alcançados até o momento, incluindo o modelo dos robôs que serão utilizados na competição. Para conclusão do desafio a equipe utilizará 2 (dois) robôs para fazer a varredura dos CLOCLONS, cada robô possui funções especificas de acordo com a nação designadas para eles.
I. INTRODUÇÃO
Este documento descreve a tecnologia utilizada pela equipe Asimov, participante da modalidade IEEE Standard Educational Kit, conhecida como IEEE LEGO. Será a primeira participação da equipe na Competição Latino Americana e Brasileira de Robótica.
Asimov é uma equipe brasileira de robótica educacional formada por estudantes do IFES - Instituto Federal do Espírito Santo, Campus Colatina. Ela foi fundada no inicio 2015. A equipe formou-se de um projeto submetido a CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico), tendo bolsas financiadas na modalidade ITI (Iniciação Tecnológica e Industrial), com ajuda de capital e custeio para compra de robôs e demais suplementos que são vendidos separados do Kit Lego Mindstorms (Lego, 2011), tais como: sensores, motores, etc.
Com a participação da equipe no XIV Concurso Latino-Americano de Robótica (LARC) e XIII Competição Brasileira de Robótica (CBR), por sua natureza lúdica e competitiva, pretende-se aumentar o interesse nas disciplinas de programação, tanto dos participantes como dos demais alunos dos cursos de informática do IFES Campus Colatina (Sistemas de Informação e Técnico de Informática). O objetivo é que os alunos participantes, além de adquirir novos conhecimentos, também despertem a motivação e o entusiasmo em outros alunos. Além de adquirir novos conhecimentos, também induza a motivação e o entusiasmo nos outros alunos para o aprendizado das técnicas de programação, de forma que possam participar de
competições futuras e apresentem desempenho superior nas matérias ligadas à programação.
Para Marconi e Lakatos (1991), a ciência é um conjunto de conhecimentos racionais, certos ou prováveis, obtidos metodicamente, sistematizados e verificáveis, que fazem referência ao objeto de uma mesma natureza. Neste sentido, os conhecimentos adquiridos são provenientes de um processo metódico, sistematizado pela ciência e utilizado para aplicação prática na solução de problemas concretos. A equipe conta com 4 (quatro) alunos bolsistas, 3 (dois) voluntários e 2 (dois) professores orientandores. Com alguns meses de projeto, a equipe participou do Segundo Torneio de Robótica da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) - Vitória - II TRUFES, sendo finalista, obtendo o 4o lugar e adquirindo uma experiência significativa que permitiu transpor várias barreiras e atingir alguns objetivos importantes, para que se torne destaque na Competição Latino Americana e Brasileira de Robótica de 2015.
A estrutura dos robôs foi construída com o material do Kit educacional e de expansão Lego Mindstorms EV3 e algumas peças do Kit Lego Mindstorms NXT (Lego, 2011). Foi utilizada a linguagem RobotC, juntamente com a IDE (Integrated Development Environment) RobotC para compilação do código.
“ROBOTC é uma linguagem de programação para o desenvolvimento da robótica e competições educacionais. ROBOTC é uma linguagem de programação baseada em C.” (Robomatter Inc, 2005).
Os robôs estão sendo desenvolvidos no LIA - Laboratório de Informática Aplicada do IFES Campus Colatina, sob orientação do professor Renan Osório Rios, com coorientação do professor Igor Carlos Pulini.
II. OBJETIVO
O desafio deste ano é construir e programar 2 (dois) robôs para trabalharem de forma autônoma em um planeta chamado DIRTO, neste planeta nunca é noite, há dois sóis, LE-1 e LE-2.
Equipe Asimov
Alexandre F. Costa, Artur Schaefer, Caian Monteiro, Kássio P. Schaider, Matheus O. Jagi, Rafael S.
Gomes, Renato L. Oliveira, membro, IEEE
Em DIRTO habitam 3 (três) nações:
SIMU SIMUs
ESITUs
KIEFAs
Apenas a nação KIEFA é nativa deste planeta. As nações não nativas de DIRTO vieram para ajudar os KIEFAs, pois eles sempre foram criados sob uma luz contínua do sol. Os KIEFAs hibernam ao entrarem em contato com locais frios ou escuros e assim permanecem por anos. O problema é que a nação ESITU, através de pesquisas, descobriu que o sol LE-1 emitirá uma grande radiação que extinguirá as nações ESITU e KIEFA. A radiação será tão forte que passará pelas cavernas e paredes também.
O objetivo é resgatar as nações estrangeiras para seus planetas natais e deixar os KIEFAs escondidos na caverna.
Cada robô irá explora o ambiente e resgatar os habitantes de uma determinada nação, identificando os habitantes pela sua cor. Cada nação possui uma cor específica, sendo elas:
SIMUs (preto)
ESITUs (branco)
KIEFAs (vermelho)
As cores são para ajudar a identificar as nações, tornando possível o resgate em suas respectivas espaçonaves. Ambos os robôs devem entrar juntos no ambiente, mas em diferentes CLOCONS (ambientes protegidos da constante radiação dos raios SV – Single Violet, uma variação do UV- Ultravioleta, encontrado no planeta terra) e resgatar dois tipos de nações denominadas SIMUs e ESITUs. Deixando os KIEFAs dentro da caverna circular. A caverna consiste em um circulo, de cor preta, colocado no chão do “modulo cave”. Este possui tamanho entre 50 a 70 cm de diâmetro.
Cada robô deverá salvar um, e somente um tipo de nação, caso contrário perderá pontos.
III. AMBIENTE
A arena do desafio representa um CLOCON, é constituído por placas de MDF (Medium-Density Fiberboard) branco de 15 mm de espessura. A planta baixa pode ser visualizada na figura 01. Haverá 5 (cinco) módulos independentes, sendo eles:
Módulos de Ingresso
Constituído por 2 (dois) módulos de 50x50 cm, sendo um azul e outro verde. Este módulo será responsável pela saída dos robôs, as cores servem para ajudar as nações a irem para suas espaçonaves.
Módulo Central
Este módulo tem uma plataforma com dimensões a partir de 1.80m x 1.80m para 1.90 m x 1.90 m, tendo paredes entre 10 a 20 centímetros de altura. Tanto a plataforma quanto as paredes têm como característica de a cor branca. Tendo em vista que em cada parede acoplada ao Módulo Central, haverá uma porta com abertura de 40cm centrada. Para testes e simulação foram utilizados às dimensões abaixo:
Plataforma: 1.90 m x 1.90 m.
Paredes: 10 cm.
Módulo Cave
O módulo pode ser quadrado ou retangular, sendo que um dos lados deve possuir a mesma dimensão do Módulo Central, citado no tópico anterior. Poderá ter como dimensão 1.80 m x 1.80 m para 1.90 m x 1.90 m.
Ao contrário do Módulo Central, o lado que tiver o mesmo tamanho do Módulo Central não contará com uma parede, mas os outros lados contarão com paredes, mas sem nenhuma abertura, no meio deve ter um círculo central preto com diâmetro entre 50 cm e 70 cm.
Será neste módulo que haverá a caverna dos KIEFAs, ou seja, o círculo preto será a simulação da caverna desta nação.
Foram utilizadas as mesmas dimensões adotas no Módulo Central para testes e simulação. Para possíveis aprimoramentos e testes foi construído um protótipo de módulo quadrado, seguindo especificações do manual. Para as dimensões do círculo preto, foi feito 2 (dois) tamanhos diferentes para teste, sendo o primeiro círculo com 50 cm e o outro com 70 cm.
Paredes do Módulo
Este módulo possuirá as mesmas dimensões e restrição do Módulo Cave, só não contará com o círculo preto. O que diferencia é que no mesmo deverá conter furos que permitem que as paredes de montagem de 10 cm para 20 cm se encaixem na plataforma. As paredes inferiores têm como tamanho de cerca de 90 cm, com a mesma espessura de parede do módulo e será fixado por cavilhas na plataforma, sendo possível a remoção.
Figura 1 – Arena
IV. PROCEDIMENTOS
A proposta inicial consiste na construção de dois robôs idênticos, ambos com a missão de salvar suas respectivas espécies. Cada rodada é baseada no resgate de duas espécies diferentes, cada um com sua cor característica, sendo que cada uma possuirá uma área de resgate pré-determinada para ser salva.
V. ESTRUTURA MECÂNICA
Para a montagem de todos os protótipos, foram utilizadas peças do Kit Educacional Mindstorms EV3. O bloco de controle possui uma arquitetura ARM9, de 300 Mhz e arquitetura RISC de 32 bits. O mesmo tem capacidade de gerenciar até quatro motores e quatro sensores, de diferentes tipos. O sistema que faz o gerenciamento do bloco é baseado em Linux.
Na construção dos robôs alguns livros foram utilizados para consulta. Sendo eles: “Building robots with LEGO Mindstorms: The ultimate tool for Mindstorms Maniacs!” (Ferrari, M; Ferrari, G; Hempel, R. 2002) e o “The LEGO Mindstorms EV3 Idea Book: 181 simple machines and clever contraptions” ( Isogawa, Y. 2014).
Seguindo as exigências da competição, o robô, possui menos de trinta centímetros de largura e de comprimento. Possui código embarcado autônomo, e não fará nenhum tipo de comunicação com dispositivos externos. E, todavia, foi construído de forma que não cause danos à arena.
A. Primeiro Protótipo
Este protótipo foi utilizado no TRUFES. Sua estrutura básica consistia em uma garra, para o resgate, e duas rodas sob um sob um brick de controle. Para a movimentação ele utilizava dois motores grandes responsáveis pela a movimentação independente de suas rodas. Um terceiro motor grande gerenciava o movimento da garra. Assim como mostrado na figura 2, logo abaixo.
Figura 2 - Visão do Primeiro Protótipo
Nos primeiros testes foi verificada a instabilidade do robô, atrapalhando sua movimentação. O desalinhamento do robô não o deixava seguir movimentos retos, sempre o levando em trajetórias diagonais. Muito desse erro era causado pela esfera de apoio, logo abaixo do motor da garra. Outro problema constatado foi que, devido ao erro na movimentação, a roda entrava em contato com a parede e para isso foi adaptado um suporte frontal, que evitava esse contato. Esses detalhes podem ser visto na figura 3.
O alinhamento do robô era baseado em seus dois sensores ultra-sônicos laterais. Eles verificavam a distância das paredes a todo instante, tentando sempre se manter centralizado no meio do corredor. Na parte frontal ele verificava quando deveria desviar de alguma parede ou localizar o individuo a ser resgatado.
Conclusão sobre o protótipo: ele atendia as expectativas do torneio passado, mas é totalmente inviável para o desafio do LARC/CBR. Seus problemas, de movimentação e sensoriamento, dificultariam muito a execução das tarefas propostas.
B. Segundo Protótipo
As duas principais características do robô são: sua esteira, para movimentação, e sua caixa de resgate. No primeiro estudo, está sendo testado o uso de dois motores grandes, movimentando as esteiras laterais de forma independente. Um terceiro motor, de tamanho médio, será utilizado para erguer e abaixar a grade de resgate. A equipe esta verificando várias formas de realizar a movimentação e as possibilidades de resgate.
Após alguns testes, foi verificado que as esteiras disponibilizam uma melhor estabilidade e controle do movimento do robô. A área de contato da esteira com o solo é maior, com isso é possível que os mesmos motores tenham uma eficiência superior, se comparado com as rodas do protótipo anterior. Segue na figura 4 o protótipo do robô.
Figura 4 - Perfil Protótipo Dois
Este protótipo ainda está em fase de testes. A priori, não foi verificado nenhum erro grave, que possa comprometer o cumprimento das atividades do desafio. Os sensores estão sendo testados, visando achar o melhor posicionamento dos mesmos. A caixa atende ao tamanho dos indivíduos a serem resgatados, e tem capacidade plena de realizá-lo. Caso seja constatado algum problema alterações poderão ser aplicadas.
VI. LOCALIZAÇÃO E MOVIMENTAÇÃO
Para conclusão do desafio a equipe utilizará 2 (dois) robôs para fazer a varredura dos CLOCLONS, cada robô possui funções especificas de acordo com a nação designadas para eles.
Os robôs se orientarão por um sensor ultrassônico na dianteira para detecção das paredes, a fim de evitar a colisão entre os robôs. Dois sensores ultrassônicos nas laterais para manter a distância das paredes, utilizarão um sensor de cor para identificar a nação denominada a ser resgatada, possuirá também dois motores para auxiliar na movimentação das esteiras e um motor para erguer e abaixar a grade de resgate. Para uma condição inicial, os robôs partirão dos módulos de ingresso estabelecido de acordo com cada robô.
A. Curva
Para a realização das curvas o robô possuirá duas esteiras, uma de cada lado, elas são independentes uma da outra, assim como mostrado na figura 5. Para fazer uma curva, será reduzida a velocidade de uma das esteiras e com isso uma delas era girar com maior velocidade, isso faz com que o robô curve para o lado da esteira que esteja girando com menor aceleração.
VII. ESTRATÉGIA DE RESOLUÇÃO DO DESAFIO Para resolver o desafio, o robô foi programado para andar por trajetórias semidefinidas, buscando identificar possíveis obstáculos e se adaptar ao ambiente – tendendo ir sempre pelas áreas de maior probabilidade de ocorrer o resgate. Na varredura, o robô recolhe ou não o individuo, verificando sua cor dentro da caixa, com o sensor de cor dentro da mesma, validando se ele é o responsável pelo resgate da mesma.
Cada robô salvará sua respectiva espécie, seguindo etapas para concluir todo o resgate. As etapas básicas são: localizar a espécie, o colocar dentro da caixa de resgate, levar para o modulo central. Após todas as unidades estarem no modulo central, as etapas se repetem, trocando apenas o local de destino, que agora serão os módulos de resgate. Seguindo as regras, onde cada espécie terá uma área distinta.
VIII. CONCLUSÃO
A equipe foi formada no inicio de 2015, e atualmente ela e composta por 7 (seis) participantes sendo 4 (quatro) bolsistas e 3 (três) voluntários. Criada com intuito de estimular aos alunos, dos cursos de Sistemas de Informação e Técnico em Informática, à aprendizagem a programação inicial através do uso de kits de robótica LEGO e com a participação no LARC 2015. Pretende-se introduzir conceitos básicos utilizados em robótica, como o uso de componentes como motores e sensores, no Laboratório de Robótica Aplicada.
A equipe de robótica do IFES - Instituto Federal do Espírito Santo Campus Colatina estimula aos alunos dos primeiros períodos a se interessar mais por disciplinas de programação dos períodos iniciais, facilitando assim a aprendizagem dentro e fora da sala de aula.
Pretende-se que o robô conclua todas as etapas descritas acima, podendo assim ter uma boa participação no torneio. Observando a importância da robótica, espera-se que os alunos adquiram um conhecimento aprofundado na linguagem de programação mencionada no presente artigo. A competição representa uma grande oportunidade para equipe compartilhar conhecimento, crescer academicamente, fazer ligações com pessoas que compartilham o nosso interesse na área da robótica.
Alguns dos passos descritos antes ainda precisam ser revistos a fim de melhorar e aumentar a precisão o desempenho do robô.
REFERÊNCIAS
[1] (2005). (Robomatter Inc.) Acesso em 29 de junho de 2015, disponível em RobotC: http://www.robotc.net
[2] (2011). (LEGO) Acesso em 20 de junho de 2013, disponível em LEGO Mindstorms: http://mindstorms.lego.com.
[3] (2011). Acesso em 11 de junho de 2015, disponível em Competição Latino Americana e Brasileira de Robótica 2015: http://cbrobotica.org. [4] Ferrari, M; Ferrari, G; Hempel, R. (2002). Building robots with LEGO
Mindstorms: The ultimate tool for Mindstorms Maniacs! Syngress, 2002.
[5] Isogawa, Y. (2014). The LEGO Mindstorms EV3 Idea Book: 181 simple machines and clever contraptions.
[6] LAKATOS, Eva M.; MARCONI, Maria A. Metodologia Científica. São Paulo: Atlas, 1991, p. 91.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico) pelo financiamento do projeto e pelas bolsas concedidas para a realização deste projeto. E ao Dr. Renan Osório Rios por possibilitar o contato com o tema “ROBÓTICA EDUCACIONAL PARA O APRENDIZADO DE PROGRAMAÇÃO”.
